Forschungsprojekte

• Konsortialpartner aus Forschung & Industrie im EU Förderprojekt effiDCent

• Steigerung der Energieeffizienz von Fertigungsstraßen in der Automobilindustrie

• Stabile und sichere Netzqualität sowie Rückgewinnung von Bremsenergie im DC-Betrieb

Brilon, 14. November 2019 – In der Industrie wird heutzutage standardmäßig die dreiphasige 400-Volt-Wechselspannung eingesetzt. Auch in den Fertigungsstraßen dieser Welt wird auf Wechselspannung gesetzt. Die Anzahl an Frequenzumrichter inkl. Gleichrichter und Zwischenkreis, die meist pro industriellen Verbraucher benötigt wird, ist enorm. Um die Anzahl dieser AC/DC Wandler deutlich zu verringern und um weitere Vorteile der Gleichstrom-Technologie zu nutzen, sucht die Industrie nach neuen Lösungen hier effizienter und nachhaltiger zu werden.

Im Förderprojekt effiDCent forscht die Condensator Dominit GmbH zusammen mit den Konsortialpartnern aus Forschung (TU Dortmund, Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe) und Industrie (Paul Vahle GmbH & Co. KG, E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH) an dem Aufbau eines gleichstromgespeisten Stromschienensystems mit integriertem intelligenten Energiespeicher, zentraler Gleichstrom-Einspeisung, Pufferkondensatoren und Lichtbogenüberwachung, welche die Energieübertragung in den Fertigungsstraßen der verarbeitenden Industrie optimieren soll.

Konsortialpartner aus Forschung & Industrie im EU Förderprojekt effiDCent

Im Rahmen des Förderprojektes, welches durch die Europäische Union und dem Land NRW gefördert wird, verfolgt man das Ziel, die Energieeffizienz von Fertigungs- und Produktionsstraßen zu steigern, netzbedingte Produktionsstillstände zu minimieren und dementsprechend einen optimalen Fertigungsprozess zu generieren.  So würde im Idealfall bei einer Umstellung von Wechsel- auf Gleichspannung eine Anordnung von Pufferkondensatoren und intelligenten Energiespeichern eine enorme Materialreduzierung und eine Änderung des Leitermaterials bewirken. Des Weiteren spart der Kunde an Gleichstrom-Wandlern und Kondensatoren. Dementsprechend werden diese nur zentral an der stationären Einspeisung benötigt.

Am 7. August 2019 trafen sich die Konsortialpartner zum gemeinsamen Projekt Kick-Off im VAHLE Demo Zentrum in Kamen. Die Projektpartner nutzten diesen Tag, um sich gegenseitig kennenzulernen und stellten die individuellen Kernkompetenzen vor. Außerdem wurden die Projektpartner durch die Fertigung des Stromübertragungsspezialisten geführt.

„Die Energieverteilung in heutigen Produktionsstraßen basiert fast ausschließlich auf Wechselspannung“, erklärt Jürgen Reese, Projektingenieur und Koordinator bei der Condensator Dominit GmbH. „Die Versorgung der Stromschienensysteme in Fertigungsstraßen auf Grundlage von Wechselspannung erfordert eine zweifache Wandlung der Energie und benötigt pro Abnehmer DC-Wandler und Zwischenkreiskondensatoren. Jeder Energiewandlungsprozess ist mit Verlusten verbunden.“

Eine Umstellung der Energieeinspeisung- hin zur Gleichspannung lässt große Effizienzvorteile zu. In diesem Vorhaben werden gleichstrombasierte Stromschienen für die effiziente Energieübertragung in Fertigungsstraßen, z.B. in den häufig verwendeten Elektrohängebahnen, erforscht. Wesentliche Innovationen wären dabei die massive Materialeinsparung von Kupfer durch Gleichstromübertragung sowie alternative Leiterwerkstoffe, die Verwendung einer zentralen Gleichstrom-Einspeisung mit Fehlerabschaltung und resultierender Baugrößenreduzierung der Umrichter durch geregelte Gleichspannung und einer Lichtbogenerkennung. Hieraus würde eine enorme Energiereduzierung durch die Drehzahlerhöhung der Drehstrommotoren resultieren. Zusätzlich bringt die Anbringung von Pufferkondensatoren entlang der Stromschiene eine dynamische Stabilität bei gleichzeitigem Rückgang der Gesamtkapazität mit. Am Ende würde die Nutzung von intelligenten Energiespeichern, um kurzzeitig höchste Peaks an Lastanforderungen abdecken zu können, eine gleichmäßige Konditionierung des Energiebedarfes ermöglichen.

Steigerung der Energieeffizienz von Fertigungsstraßen in der Automobilindustrie

Mit der Anbringung von Pufferkondensatoren entlang der Stromschiene betritt das Forschungskonsortium Neuland. Insbesondere die Sicherstellung der Stabilität ist die größte Herausforderung, die beträchtliche Forschungsanstrengungen erfordert. Dennoch sind die Vorteile des vorgeschlagenen gleichstrombetriebenen Stromschienensystems immens. Durch den Umstieg von Wechsel- auf Gleichstrom in Kombination mit Pufferkondensatoren gelingt eine deutliche Reduzierung des Kupferbedarfs der Schiene.

Dies könnte bis zu 50 % Materialreduzierung bedeuten verbunden mit der Anhebung des Wirkungsgrads der Abnehmer um bis zu 15%. Außerdem erlauben die zentrale Gleichstromeinspeisung und die Pufferkapazität eine deutlich einfachere Konstruktion der Abnehmer. Ferner muss die Einspeisung aufgrund der intelligenten Energiespeicher nunmehr nur für die Nennleistung und nicht mehr für die Peaks – die Spitzenleistung – ausgelegt werden. Denn die Produktion auf Gleichstrombasis, erweist sich als robuster gegenüber Schwankungen von Angebot und Qualität des Netzes.

Stabile und sichere Netzqualität sowie Rückgewinnung von Bremsenergie im DC-Betrieb

So lassen sich neben enormer Kosteneffizienz auch entscheidende Vorteile für die Energiewende und Industrie 4.0 voranbringen. Durch einen Wechsel auf Gleichstromeinspeisung in der Industrie ließe sich viel leichter Strom aus erneuerbaren Quellen in die Netze bringen. 

 „Der Umstieg auf eine Versorgung basierend auf Gleichspannung stellt nicht nur eine stabile und sichere Netzqualität sicher, sondern ermöglicht auch die Rückeinspeisung von Bremsenergie. Mit der derzeitigen Energieverteilung aus Wechselspannung ist die Rückeinspeisung nur unter dem Einsatz von speziellen Frequenzumrichtern (genannt Active-Front-Ends) möglich“, erklärt Jürgen Reese.

 Schlussendlich erwartet das Konsortium, dass die Gesamtenergieeffizienz eines Elektrohängebahnsystems allein durch die vorgeschlagenen Innovationen um 17-25% gesteigert werden kann, und dies bei deutlich einfacheren und damit kostengünstigeren Abnehmern. Die Innovationen in diesem Projekt werden in einem realitätsnahen Demonstrationssystem evaluiert und abschließend qualifiziert. Dies geschieht in enger Abstimmung mit den Anwendern, weshalb erwartet wird, dass aufgrund der großen Vorteile des Systems nach Projektabschluss hervorragende Möglichkeiten zur Verwertung der Projektergebnisse bestehen und die Industrie in NRW damit nachhaltig gestärkt wird.

Das Förderprojekt effiDCent auf einem Blick:

• Themenschwerpunkt des Forschungsprojekts: Entwicklung einer gleichstromgespeisten Stromschiene für Fertigungsstraßen in der Industrie
• Projekt-Partner: Condensator Dominit GmbH, Technische Universität Dortmund, Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Paul Vahle GmbH & Co. KG (Konsortialführer) und E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH als assoziierter Partner.
• Projektdauer: Juli 2019 – Juni 2022
• Projektträger ist das Forschungszentrum Jülich PTJ.

Dieses Vorhaben wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert.